千斤頂推力不均對盾構(gòu)管片裂紋擴展的影響研究

蘇 昂

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

盾構(gòu)法以其安全高效特點，成為城市地鐵和水下隧道最主要的施工方法[1]。隨著城市地鐵規(guī)模的不斷擴大，地鐵穿越地層愈加復(fù)雜，施工過程中質(zhì)量問題逐漸增多。上軟下硬復(fù)合地層是我國廣州、深圳、福州等地區(qū)典型地質(zhì)條件，盾構(gòu)機在穿越該類地層時，盾構(gòu)姿態(tài)控制不佳，千斤頂易出現(xiàn)推力不均，導(dǎo)致管片局部應(yīng)力集中程度較高，進而引起管片裂損[2-4]等問題的出現(xiàn)。

國內(nèi)外學(xué)者及工程研究人員對盾構(gòu)隧道裂損病害[5-10]進行了大量研究，但是其中有關(guān)施工階段千斤頂推力造成盾構(gòu)隧道裂損的研究，僅少數(shù)成果見諸報端。宋克志、袁大軍等[11]針對施工階段管片破損現(xiàn)象，系統(tǒng)分析了施工荷載作用下管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，運用ANSYS有限元軟件構(gòu)建施工階段管片力學(xué)模型，最后得到千斤頂推力大小、推力傾角、推力偏差導(dǎo)致管片破損的結(jié)論。張建剛、何川等[12]針對施工階段管片開裂現(xiàn)象，建立了三維有限元模型，系統(tǒng)分析了管片結(jié)構(gòu)在千斤頂推力作用下的力學(xué)響應(yīng)特性，給出了管片開裂的主要原因。陳俊生、莫海鴻等[13]以廣州地鐵管片為研究對象，將管片在施工階段受到的千斤頂推力、注漿壓力、地層彈性抗力、正常使用階段受到的土壓力和水壓力概化為5種荷載，利用通用有限元軟件ADINA，分析了單塊管片的應(yīng)力和裂縫分布。秦建設(shè)、朱偉等[14]從盾構(gòu)機與管片相互作用入手，研究了盾構(gòu)機千斤頂姿態(tài)與襯砌走向不協(xié)調(diào)導(dǎo)致管片錯臺及混凝土開裂問題，并提出相應(yīng)的對策。

以上關(guān)于千斤頂推力造成盾構(gòu)管片裂損的研究大部分基于數(shù)值模擬方法，將管片視作連續(xù)介質(zhì)，根據(jù)管片應(yīng)力集中程度，預(yù)判管片裂紋形態(tài)和可能出現(xiàn)位置，進而分析管片開裂原因。然而，管片的開裂具有很強的隨機性，應(yīng)力集中程度無法準(zhǔn)確預(yù)判開裂位置。同時，管片裂紋的擴展具備很強的不確定性，采用以上數(shù)值模擬方法無法描述裂紋擴展路徑和擴展規(guī)律。

鑒于此，本文基于擴展有限元理論[15-18]，利用ABAQUS有限元軟件，建立管片三維有限元模型，實現(xiàn)了千斤頂推力不均作用下盾構(gòu)管片裂紋擴展的模擬，對裂紋形態(tài)特征、擴展規(guī)律、擴展路徑進行深入分析，并提出相應(yīng)的工程改進措施。

1 工程概況

1.1 區(qū)間地質(zhì)條件

該地鐵工程沿線地貌形態(tài)大部分場地為山前沖積平原及河流沖淤積平原地貌類型，部分地段為剝蝕殘山地貌類型。隧道穿越范圍內(nèi)涉及的地層復(fù)雜多變，與北京、上海等地層相對單一的城市比較起來，該地區(qū)地質(zhì)條件表現(xiàn)在地形地貌起伏多變、地層上軟下硬、巖性復(fù)雜多樣的特征。

1.2 管片襯砌結(jié)構(gòu)特征

該地鐵工程管片環(huán)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度350 mm，幅寬1.2 m，與國內(nèi)大多數(shù)地鐵一樣，管片襯砌采用“3+2+1”分塊方式。管片環(huán)間設(shè)置凹凸榫，凸榫端部寬127 mm、凹槽內(nèi)部寬135 mm，環(huán)間凹凸榫連接時凸榫在凹槽中有8 mm調(diào)整余量，管片構(gòu)造如圖1所示。該地鐵管片采用錯縫拼裝，同時在管片環(huán)縫設(shè)置了凹凸榫槽連接。在施工過程中，若遇到不良施工荷載作用，極易造成管片結(jié)構(gòu)損傷[19]。

圖1 管片構(gòu)造(單位：mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為簡化計算模型，將千斤頂推力轉(zhuǎn)換成均布荷載施加在靴板上，3個靴板依次對應(yīng)1-3號千斤頂。在加載過程中，管片側(cè)面與相鄰管片可能會多次出現(xiàn)擠壓或分離的復(fù)雜接觸情況，無法用簡單的鉸接或固端約束表達管片間接觸。根據(jù)文獻[20]，在管片兩端建立兩個支承基座模擬這種復(fù)雜的邊界條件，管片模型如圖2所示。

圖2 管片模型

支承基座為全約束，管片與支承基座之間在法向上設(shè)置硬接觸，管片之間可以傳遞壓力，并允許接觸后分離，切向上采用基于罰函數(shù)法的庫侖摩擦模型。管片頂面(凸榫面)無約束，底面(凹槽面)為豎向約束。

2.2 模型參數(shù)

管片塑性損傷模型參數(shù)和混凝土壓縮拉伸特性[21]分別見表1、表2。管片與基座之間的摩擦系數(shù)為0.3～0.4，為了反映普遍情況，本文取平均值0.35，管片與靴板間摩擦系數(shù)因其表面粗糙度不同變化較大，摩擦系數(shù)取0.35[20]。

表1 管片塑性損傷模型參數(shù)

表2 混凝土壓縮拉伸特性

2.3 工況模擬

改變作用在靴板的荷載大小，模擬千斤頂推力大小。根據(jù)文獻[20]，正常施工中，單個管片頂面承受壓力為1 600 kN/m，單個管片平均弧長為3.446 m，由于凸榫的存在，靴板在管片作用范圍為127 cm×500 cm，每個靴板承受平均荷載為28.9 MPa，即千斤頂推力荷載為28.9 MPa?？紤]到可能出現(xiàn)盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎段、盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整、盾構(gòu)機穿越復(fù)雜地層等情況，靴板的最大荷載設(shè)為該荷載的2倍，即57.8 MPa，荷載工況如表3所示。

表3 荷載工況

3 計算結(jié)果分析

利用ABAQUS有限元軟件，模擬千斤頂推力不均對盾構(gòu)管片的作用，并對裂紋形態(tài)特征、擴展規(guī)律、擴展路徑進行深入分析。

3.1 裂紋形態(tài)特征

圖3為各工況作用下管片最終裂紋形態(tài)，可以看出，1號管片裂紋分布在管片左側(cè)端部和中部，2號管片裂紋對稱分布在管片兩側(cè)端部，3號管片裂紋分布在管片中部。各組工況下，裂紋大多位于千斤頂較大推力位置，螺栓孔、手孔和螺栓孔附近均出現(xiàn)大量的線狀裂紋，內(nèi)弧面裂紋多于外弧面，內(nèi)、外弧面裂紋沿著管片厚度方向貫穿。各種工況管片裂損區(qū)域由大到小依次為2號管片、1號管片、3號管片，裂紋均出現(xiàn)在千斤頂較大推力位置，這說明千斤頂推力大小、位置與管片裂紋的分布形態(tài)直接相關(guān)，千斤頂推力越大，較大推力位置越靠近端部，管片裂損區(qū)域越大。

圖3 各工況作用管片最終裂紋形態(tài)

從圖3可以看出，1號管片左側(cè)端部頂面凸榫被裂紋貫穿，裂紋沿45°方向順著內(nèi)弧面發(fā)展到側(cè)面，使得管片左側(cè)邊角部出現(xiàn)楔形剪切破壞，2號管片兩側(cè)邊角部都出現(xiàn)邊角剪切破壞。3號管片左側(cè)及中部千斤頂推力最大，管片中部應(yīng)力集中程度高，應(yīng)力集中區(qū)域小，管片出現(xiàn)局部壓潰破壞。

圖4為各工況作用下管片的初始裂紋形態(tài)?？梢钥闯觯?號、3號管片初始裂紋均出現(xiàn)在管片凸榫頂面內(nèi)邊緣，1號管片初始裂紋雖然出現(xiàn)在凸榫頂面外邊緣，但隨后在頂面與內(nèi)弧面交界處也出現(xiàn)了裂紋。管片內(nèi)弧面的螺栓手孔、注漿孔的存在，尤其是端部密集手孔的存在，不僅大幅提升管片內(nèi)側(cè)局部應(yīng)力集中程度，同時為管片變形、裂紋擴展提供了更大空間，使得管片內(nèi)弧面更易開裂。

3.2 裂紋擴展規(guī)律

圖5為各工況作用下管片裂紋長度隨管片壓縮變形而變化的曲線?？梢钥闯?，1～3號管片裂紋總長度分別為5 331、7 704、3 630 mm，裂紋長度變化呈現(xiàn)臺階式遞增的特點，管片在新裂紋產(chǎn)生之前，需要一定程度的能量積累才可能出現(xiàn)下一次裂紋。

圖4 各工況作用下管片初始裂紋狀態(tài)

圖5 各工況作用下管片裂紋長度與壓縮量關(guān)系

管片通過壓縮變形和裂紋擴展消耗千斤頂推力產(chǎn)生的能量，裂紋擴展可以分為3個階段：裂紋初始發(fā)展階段(AC段)、裂紋協(xié)調(diào)發(fā)展階段(CE段)、裂紋迅速發(fā)展階段(EG段)。每一階段的裂紋擴展可以分為2個過程：能量積累過程和裂紋擴展過程。

不同階段，管片壓縮量和裂紋長度統(tǒng)計見表4。

表4 管片壓縮量和裂紋長度統(tǒng)計

第一階段：裂紋初始發(fā)展階段。千斤頂加載初期，管片內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變較小，未引起管片開裂，直到壓縮量分別達到0.03、0.03、0.01 mm，裂紋開始出現(xiàn)。該階段，管片壓縮增量分別為0.05、0.04、0.03 mm，裂紋長度增量分別為2 116、236、210 mm。該階段，所有管片壓縮量較小，2號和3號管片裂紋長度較小，1號管片裂紋長度較大。

第二階段：裂紋協(xié)調(diào)發(fā)展階段。該階段內(nèi)、外弧面裂紋長度與壓縮量變化協(xié)調(diào)一致，裂紋長度隨著管片壓縮量的增大而增長。該階段，1號管片壓縮增量為0.05 mm，裂紋長度增量為512 mm。2號管片壓縮增量為0.06 mm，裂紋長度增量為814 mm。3號管片壓縮增量為0.06 mm，裂紋長度增量為3 350 mm。該階段，所有管片壓縮增量較小，1號和2號管片裂紋長度增量較小，3號管片裂紋長度增量較大。

第三階段：裂紋迅速發(fā)展階段。在該階段，1號、2號管片裂紋長度增量分別為2 703、6 654 mm，裂紋發(fā)展迅速，絕大多數(shù)的裂紋在該階段擴展。1、2號管片壓縮量在該階段后期基本保持不變，但裂紋長度持續(xù)增大，管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)區(qū)域性破壞，承載能力已受到較大影響。3號管片裂紋長度的增量僅為70 mm，壓縮增量卻達到了0.3 mm，裂紋長度在該階段基本保持不變，但管片壓縮變形量持續(xù)增大，此時，雖然管片局部發(fā)生壓潰破壞，但整體并未完全喪失承載能力。

3.3 裂紋擴展路徑

以1號管片為例，展示裂紋擴展全過程，如圖6所示：加載初期，管片整體應(yīng)力水平較低，無裂紋出現(xiàn)。當(dāng)管片壓縮量達到0.030 mm，管片左側(cè)端部凸榫外邊緣出現(xiàn)首條長45 mm裂紋，裂紋與凸榫邊緣呈45°夾角，如圖6(a)所示。當(dāng)管片壓縮量達到0.033 mm，管片左側(cè)、中部手孔上方同時出現(xiàn)1對“八”字裂紋，如圖6(b)所示。當(dāng)管片壓縮量達到0.047 mm，外弧面出現(xiàn)首條裂紋，裂紋與管片邊緣呈45°夾角，如圖6(c)所示，外弧面裂紋擴展較慢。隨后，內(nèi)弧面左側(cè)和中部裂紋同時擴展，左側(cè)裂紋擴展緩慢，并保持較長時間的穩(wěn)定。中部裂紋擴展迅速，很快形成內(nèi)弧面與頂面相連的貫通裂紋，如圖6(d)所示。內(nèi)弧面左側(cè)裂紋與內(nèi)弧面邊緣平行擴展，頂面裂紋向凸榫外邊緣方向擴展，如圖6(e)所示。最終頂面、內(nèi)弧面與外弧面裂紋交匯貫通，管片左側(cè)端部出現(xiàn)大范圍線狀裂紋，中間局部出現(xiàn)線狀裂紋，發(fā)展為最終裂紋形態(tài)，如圖6(f)所示。

圖6 1號管片裂紋擴展

4 工程改進措施

千斤頂推力不均引起的管片裂紋問題不容小視，對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長期安全性和耐久性產(chǎn)生重要的影響。根據(jù)管片裂紋形態(tài)特征、裂紋擴展規(guī)律與裂紋擴展路徑分析結(jié)果，提出如下工程改進措施。

(1)優(yōu)化管片結(jié)構(gòu)，邊角部、手孔和螺栓孔位置增加構(gòu)造鋼筋。千斤頂推力不均作用下管片邊角部易出現(xiàn)楔形剪切破壞，在管片設(shè)計時，增加邊角部構(gòu)造鋼筋，能夠增大邊角部抗拉剪能力，降低邊角部應(yīng)力集中程度，減弱盾構(gòu)施工階段管片裂紋擴展程度。手孔和螺栓孔部位易出現(xiàn)貫穿裂紋，在管片設(shè)計時，手孔和螺栓孔周圍增加短環(huán)繞狀構(gòu)造鋼筋，增大孔位拐角部位的抗拉剪能力。

(2)控制施工不良荷載與盾構(gòu)姿態(tài)。千斤頂推力的不均是導(dǎo)致施工階段管片局部破損的主要原因，在滿足盾構(gòu)推進要求的前提下，應(yīng)緩慢、平滑校正操作千斤頂，減小推力大小、傾角的突變對管片的不利影響。要仔細考慮控制參數(shù)，降低施工速度，采取提前逐漸糾偏的方式，保證盾構(gòu)機姿態(tài)與襯砌環(huán)走向配合良好，降低千斤頂推力不均荷載的出現(xiàn)。

(3)及時檢查管片表面潔凈程度。及時將管片環(huán)、縱縫的礫石顆粒等雜物清理干凈，盡量避免管片間非均勻接觸現(xiàn)象出現(xiàn)。同時，在施工中盡量做到管片清潔無夾雜、管片安裝嚴格對齊等。

5 結(jié)論

本文基于擴展有限元理論，運用ABAQUS有限元軟件建立管片三維有限元模型，實現(xiàn)了千斤頂推力不均作用下盾構(gòu)管片裂紋擴展的模擬，對裂紋形態(tài)特征、擴展規(guī)律、擴展路徑進行深入分析，并提出相應(yīng)的工程改進措施，得出以下主要結(jié)論。

(1)千斤頂推力不均作用，裂紋大多位于千斤頂最大推力位置，管片裂紋形態(tài)表現(xiàn)為邊角部、手孔部、螺栓孔附近大范圍線狀裂紋，內(nèi)弧面較外弧面更易產(chǎn)生裂紋，內(nèi)外弧面裂紋沿著管片厚度方向貫穿，裂紋大多位于千斤頂最大推力位置。

(2)千斤頂推力大小、位置與管片裂紋的分布形態(tài)直接相關(guān)，千斤頂推力越大，千斤頂較大推力位置越集中，最大推力位置越靠近端部，管片裂損區(qū)域越大。

(3)裂紋長度變化呈現(xiàn)臺階式遞增的特點，管片在新裂紋產(chǎn)生之前，需要一定程度的能量積累才可能出現(xiàn)下一次新裂紋。裂紋擴展可以分為3個階段：裂紋初始發(fā)展階段、裂紋協(xié)調(diào)發(fā)展階段、裂紋迅速發(fā)展階段。絕大多數(shù)的裂紋發(fā)生在第三階段，該階段管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)區(qū)域性破壞。

(4)通過優(yōu)化管片結(jié)構(gòu)、控制施工不良荷載與盾構(gòu)姿態(tài)，及時檢查管片表面潔凈程度等工程改進措施，可減輕盾構(gòu)施工階段管片裂損程度。